一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。本發(fā)明的器件中復合勢壘層由高低不同極化強度鋁銦鎵氮材料組成，當?shù)蜆O化強度鋁銦鎵氮勢壘層位于柵極漏端，使這部分勢壘層下方溝道的二維電子氣(2DEG)密度小于溝道漏端其他位置的2DEG密度，形成LDD結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)調(diào)制溝道的電場分布以提升耐壓能力；當?shù)蜆O化強度鋁銦鎵氮勢壘層位于柵極正下方區(qū)域，柵下氮化鎵(GaN)溝道導帶底呈階梯式分布，由于勢壘的下降使柵下溝道載流子的漂移速度增加，在2種不同元素組分鋁銦鎵氮勢壘層之間產(chǎn)生電場的峰值，使溝道電勢更多的分布在柵極漏端而不是整個柵極，以抑制漏至勢壘下降(DIBL)效應(yīng)。
【專利說明】一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管。

【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、導熱性能好、抗輻射和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時氮化鎵(GaN)材料可以與鋁鎵氮(AlGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電力電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。
[0003]圖1為基于現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)GaN HFET結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括:襯底101，氮化鎵(GaN)緩沖層102，氮化鎵(GaN)溝道層103，鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層104以及鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層104上設(shè)置的源極105、漏極106和柵極107，其中源極105和漏極106均與鋁鎵氮(AlGaN)勢壘層104形成歐姆接觸，柵極107與鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層104形成肖特基接觸。
[0004]但是對于上述傳統(tǒng)的GaN HFET而言，當器件承受耐壓時，由于柵極和漏極之間溝道二維電子氣不能夠完全耗盡，使得溝道電場主要集中在柵極邊緣，導致器件在較低的漏極電壓下便被擊穿；同時，從源極注入的電子可以經(jīng)過GaN緩沖層到達漏極，形成漏電通道，過大的緩沖層泄漏電流同樣會導致器件提前擊穿，無法充分發(fā)揮GaN材料的高耐壓優(yōu)勢，從而限制GaN HFET在高壓方面的應(yīng)用。
[0005]傳統(tǒng)技術(shù)為了使柵極與漏極之間電場分布更加均勻，抑制緩沖層泄漏電流，提高器件擊穿電壓，通常使用以下方法:
[0006](I)使用表面場板技術(shù)[D.Vislalli et al., “Limitat1ns of Field PlateEffect Due to the Silicon Substrate in AlGaN/GaN/AlGaN DHFETs，，，IEEE Trans.Electron Devices, Vol.57, N0.12, p.3333-3339(3060)]。場板結(jié)構(gòu)可以有效地耗盡其下的溝道二維電子氣，擴展柵極與漏極之間的二維電子耗盡區(qū)域，使柵漏之間的電場分布更加均勻，從而達到提高擊穿電壓的目的。但場板結(jié)構(gòu)依然無法完全耗盡柵極與漏極之間的溝道二維電子氣，同時無法抑制緩沖層泄漏電流，不能充分發(fā)揮GaN材料的耐壓優(yōu)勢，同時場板結(jié)構(gòu)也會退化器件的頻率特性。
[0007](2)在緩沖層內(nèi)摻入碳、鐵等雜質(zhì)[Eldad Bahat-Treidel et al., iiAlGaN/GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs WithBreakdown Voltage of Over IkV andLowRONX A”，Trans, on Electron Devices, Vol.57, N0.11, p.3050-3058 (3060) ] ? 碳、鐵等雜質(zhì)會在GaN緩沖層內(nèi)引入深能級電子陷阱，俘獲從源極注入的電子，增大緩沖層電阻，同時被電子占據(jù)的陷阱有助于耗盡溝道中二維電子氣，使器件溝道電場分布更加均勻。但是該技術(shù)不能完全耗盡溝道中的二維電子氣，無法充分發(fā)揮GaN材料的耐壓優(yōu)勢，同時碳、鐵等雜質(zhì)引入的深能級陷阱會導致諸如導通電阻增大、輸出電流下降、電流崩塌效應(yīng)和反應(yīng)速度下降等負面影響。
[0008]在微波應(yīng)用領(lǐng)域，氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管器件研究的熱點是提高器件的電流增益截止頻率fT，提高器件的fT最常采用的方法是縮短柵長，然后隨著柵長的縮短，會產(chǎn)生嚴重的短溝道效應(yīng)，導致器件的最大直流跨導下降、閾值電壓漂移、輸出曲線不飽和以及頻率柵長乘積下降，現(xiàn)有的緩解短溝道效應(yīng)的方法具體如下:
[0009](I)采用凹柵技術(shù)將柵下的勢魚層刻蝕掉一部分[“Gate-Recessed InAlN/GaN HFETs on SiC Substrate With Al2O3 Passivat1n”，IEEE Electron DeviceLett.，VOL.30，N0.9，Sep.2009.]，其用意是減小柵下勢壘層的厚度，從而增大器件的縱橫比((器件柵長與柵下勢壘層厚度之比，Lg/tbJ。但是勢壘層厚度的減薄使二維電子氣濃度減小，同時凹柵技術(shù)也會對器件造成機械損傷，對器件可靠性造成影響。
[0010]提高載流子的限域性。如采用InGaN等材料作背勢壘的方法增大從溝道2DEG到緩沖層的勢壘高度，從而提高2DEG的限域性[“300-GHz InAlN/GaN HFETs With InGaN BackBarrier，，，IEEE Electron Device Lett., VOL.32, N0.11, pp.1525-1527，Nov.2011.]。但是由于晶格失配，背勢壘會在緩沖層和溝道之間引入陷阱，也會導致諸如器件輸出電流下降、電流崩塌效應(yīng)和反應(yīng)速度下降等缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的，就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述的問題，提出了一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管，包括襯底101、設(shè)置在襯底101上層的氮化鎵緩沖層102、設(shè)置在氮化鎵緩沖層102上層的氮化鎵溝道層103、源極105、漏極106和柵極107 ;其特征在于，在氮化鎵溝道層103上層設(shè)置有復合勢壘層，所述源極105和漏極106位于復合勢壘層上表面的兩端并與復合勢壘層形成歐姆接觸，所述柵極107位于復合勢壘層上表面的中部并與復合勢壘層形成肖特基接觸；所述復合勢壘層由高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202構(gòu)成，所述低極化強度勢壘層202的兩端連接高極化強度勢壘層201。
[0013]本發(fā)明的總的技術(shù)方案，將傳統(tǒng)的復合勢壘層設(shè)置為由不同極化強度的部分構(gòu)成，如圖1所示，沿器件剖面的橫向方向上，復合勢壘層由高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202構(gòu)成，其中低極化強度勢壘層202的兩端連接高極化強度勢壘層201。
[0014]具體的，所述低極化強度勢壘層202位于漏極106和柵極107之間；設(shè)低極化強度勢壘層202沿器件橫向方向的寬度為Luj,則有O < Luj < Lgd ;設(shè)低極化強度勢壘層202距柵極107的橫向距離為W，則有O ( Lglp < (L⑶-Llp)，其中Lgd為柵漏距。
[0015]本方案用于作功率器件，復合勢壘層中低極化強度勢壘層202分布在柵極漏端部分區(qū)域，其余部分勢壘層為高極化強度勢壘層201 ;由于低極化強度勢壘層202的極化強度低于高極化強度勢壘層201，所以低極化強度勢壘層202下方溝道的二維電子氣密度低于柵極漏端溝道其他區(qū)域的二維電子氣密度，形成LDD(low density drain)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)調(diào)制溝道的電場分布以提升器件的耐壓能力。
[0016]具體的，所述低極化強度勢壘層202位于柵極107正下方，同時低極化強度勢壘層202左邊沿與柵極107的源邊沿對齊；設(shè)低極化強度勢壘層202沿器件橫向方向的寬度為Llp,則有O < Luj < Le，其中Le為柵長。
[0017]本方案用于作微波器件，復合勢壘層中低極化強度勢壘層202位于柵極正下方區(qū)域，左邊沿與柵極源端對齊，右邊沿不超過柵極漏端，由于低極化強度勢壘層202材料的極化強度小于高極化強度勢壘層201材料的極化強度，使柵下氮化鎵(GaN)溝道導帶底呈階梯式分布，由于勢壘的下降使柵下溝道載流子的漂移速度增加，溝道在低極化強度勢壘層202與高極化強度勢壘層201間產(chǎn)生電場峰值，使溝道電勢更多的分布在柵極漏端而不是整個柵極，以抑制漏至勢壘下降(DIBL)效應(yīng)，從而達到減緩深亞微米級氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的短溝道效應(yīng)的作用。
[0018]具體的，所述高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202采用的材料均為AlxInyGazN,其中，x、y、z分別指招銦鎵氮中Al、In和Ga的摩爾百分比組分含量,其中x+y+z=I,O ^ X ^ I,O y I,O ^ ζ ^ I。
[0019]招銦鎵氮(AlxInyGazN)的極化強度可由下式確定:
[0020]Psp (AlxInyGazN) = x.Psp (AlN) +y.Psp(InN) +z.Psp (GaN)
[0021]其中，Psp(AlN)、Psp (InN)、Psp (GaN)分別指 AIN、InN、GaN 的極化強度；調(diào)節(jié)高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202中鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)各元素組分，確保低極化強度勢壘層202中的AlxInyGazN的極化強度小于高極化強度勢壘層201中鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)的極化強度
[0022]本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明在GaN HEMT中生長不同極化強度的勢壘層，根據(jù)低極化強度勢壘層的位置不同，可用作耐壓的功率器件或抑制短溝道效應(yīng)的微波器件。當?shù)蜆O化強度勢壘層位于漏端時，通過不同極化強度導致溝道二維電子氣密度不同，形成LDD結(jié)構(gòu)，達到通過調(diào)制溝道的電場來提升器件耐壓的目的；當?shù)蜆O化強度勢壘層位于柵極正下方區(qū)域時，使柵下氮化鎵(GaN)溝道導帶底呈階梯式分布，由于勢壘的下降使柵下溝道載流子的漂移速度增加，在2種不同元素組分鋁銦鎵氮勢壘層之間產(chǎn)生電場的峰值，使溝道電勢更多的分布在柵極漏端而不是整個柵極，以抑制漏至勢壘下降(DIBL)效應(yīng)，從而達到減緩深亞微米級氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的短溝道效應(yīng)的作用。本發(fā)明實現(xiàn)工藝簡單，根據(jù)應(yīng)用需要，能在不犧牲器件的可靠性情況下提升器件的耐壓能力或抑制短溝道效應(yīng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是已有技術(shù)中常規(guī)GaN HEMT的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明用作功率器件的具有復合勢壘層的GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明用作微波器件的具有復合勢壘層的GaN HEMT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明用作功率器件的GaN HEMT與常規(guī)結(jié)構(gòu)GaN HEMT在器件柵極處于關(guān)態(tài)情況下漏極電流與漏極偏壓的關(guān)系比較圖；
[0027]圖5是本發(fā)明用作功率器件的GaN HEMT與常規(guī)結(jié)構(gòu)GaN HEMT在器件柵極處于關(guān)態(tài)情況下沿溝道的電場分布的比較圖；
[0028]圖6是本發(fā)明用作微波器件的GaN-HFET與常規(guī)GaN-HFET在柵極下方溝道導帶底能帶圖對比；
[0029]圖7是本發(fā)明用作微波器件的GaN-HFET與常規(guī)GaN-HFET在柵極下方的電子漂移速度對比；
[0030]圖8是本發(fā)明用作微波器件的GaN-HFET與常規(guī)GaN-HFET在柵極下方的橫向電場分布對比；
[0031]圖9是本發(fā)明用作微波器件的GaN-HFET與常規(guī)GaN-HFET的柵極下方溝道電勢對比；
[0032]圖1O是本發(fā)明用作微波器件的GaN-HFET與常規(guī)GaN-HFET的轉(zhuǎn)移特性以及跨導-電壓特性對比；
[0033]圖11是本發(fā)明用作微波器件的GaN-HFET與常規(guī)GaN-HFET的電容-電壓特性對比；
[0034]圖12是本發(fā)明用作微波器件的GaN-HFET與常規(guī)GaN-HFET的頻率特性對比。

【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述
[0036]實施例一
[0037]本例用于作功率器件。如圖2所示，本例的GaN HEMT包括襯底101、設(shè)置在襯底101上層的氮化鎵緩沖層102、設(shè)置在氮化鎵緩沖層102上層的氮化鎵溝道層103、源極105、漏極106和柵極107 ;其特征在于，在氮化鎵溝道層103上層設(shè)置有復合勢壘層，所述源極105和漏極106位于復合勢壘層上表面的兩端并與復合勢壘層形成歐姆接觸，所述柵極107位于復合勢壘層上表面的中部并與復合勢壘層形成肖特基接觸；所述復合勢壘層由高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202構(gòu)成，所述低極化強度勢壘層202的兩端連接高極化強度勢壘層201 ;低極化強度勢壘層202位于漏極106和柵極107之間。本例的主要的工藝步驟如下:首先，在襯底I上用MOCVD依次生長氮化鎵(GaN)緩沖層102，氮化鎵(GaN)溝道層103，再通過選擇生長技術(shù)生長不同極化強度高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202，構(gòu)成復合勢壘層；最后，在復合勢壘層上形成與其成歐姆接觸的源極105和漏極106，以及與勢壘層成肖特基接觸的柵極107。
[0038]所述的高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202的材料為AlxInyGazN，其中x+y+z = 1,0 ^ X ^ 1,0 ^ y ^ 1,0 ^ ζ ^ I。招銦鎵氮(AlxInyGazN)的極化強度由下式確定:
[0039]Psp (AlxInyGazN) = χ.Psp (AlN) +y.Psp(InN) +z.Psp (GaN)
[0040]其中，Psp(AlN)、Psp (InN)、Psp (GaN)分別指 AIN、InN、GaN 的極化強度；調(diào)節(jié)高極化強度勢壘層201和低極化強度勢壘層202中AlxInyGazN各元素組分，確保低極化強度勢壘層中202的AlxInyGazN的極化強度小于高極化強度勢壘層201中AlxInyGazN的極化強度，使低家化強度勢壘層202下方溝道二維電子氣密度小于溝道其余部分二維電子氣密，形成形成LDD(low density drain)結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)調(diào)制溝道的電場分布以提升器件的耐壓能力。
[0041]表I為本例與傳統(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對比
[0042]表I功率器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0043]

【權(quán)利要求】
1.一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管，包括襯底(101)、設(shè)置在襯底(101)上層的氮化鎵緩沖層(102)、設(shè)置在氮化鎵緩沖層(102)上層的氮化鎵溝道層(103)、源極(105)、漏極(106)和柵極(107);其特征在于，在氮化鎵溝道層(103)上層設(shè)置有復合勢壘層，所述源極(105)和漏極(106)位于復合勢壘層上表面的兩端并與復合勢壘層形成歐姆接觸，所述柵極(107)位于復合勢壘層上表面的中部并與復合勢壘層形成肖特基接觸；所述復合勢壘層由高極化強度勢壘層(201)和低極化強度勢壘層(202)構(gòu)成，所述低極化強度勢壘層(202)的兩端連接高極化強度勢壘層(201)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管，其特征在于，所述低極化強度勢壘層(202)位于漏極(106)和柵極(107)之間；設(shè)低極化強度勢壘層(202)沿器件橫向方向的寬度為Luj,則有O < Luj < Lgd ;設(shè)低極化強度勢壘層(202)距柵極(107)的橫向距離為Lap，則有O ( Lglp < (L⑶-Llp)，其中Lgd為柵漏距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管，其特征在于，所述低極化強度勢壘層(202)位于柵極(107)正下方，同時低極化強度勢壘層(202)左邊沿與柵極(107)的源邊沿對齊；設(shè)低極化強度勢壘層(202)沿器件橫向方向的寬度為Llp,則有O < Luj < Le，其中Le為柵長。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種具有復合勢壘層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管，其特征在于，所述高極化強度勢壘層(201)和低極化強度勢壘層(202)采用的材料均為AlxInyGazN,其中，x、y、z分別指招銦鎵氮中Al、In和Ga的摩爾百分比組分含量,其中x+y+z=I,O ^ X ^ I,O y I,O ^ ζ ^ I。
【文檔編號】H01L29/06GK104201202SQ201410476301
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】杜江鋒, 潘沛霖, 陳南庭, 劉 東, 于奇 申請人:電子科技大學